Репликация и репарация ДНК

Репликация — процесс самоудвоения ДНК, или биосинтез дочерней молекулы ДНК, полностью идентичной исходной молекуле (матрице). Локализация процесса — клеточное ядро. Основные принципы репликации ДНК:

• · комплементарность — синтезируемые цепи комплементарны матрице;
• · антипараллельность — 5'-конец синтезируемой полинуклеотидной цепи находится напротив 3'-конца матрицы и наоборот;
• · униполярность — синтез полинуклеотидных цепей происходит всегда в направлении 5' > 3';
• · потребность в затравке — ферменты, синтезирующие ДНК, способны лишь наращивать существующую полинуклеотидную цепь, поэтому вначале синтезируется короткая цепь РНК (затравка или праймер), к которой присоединяются дезоксирибонуклеотиды; выполнившая свою роль РНК-затравка удаляется;
• · прерывистость — одна из дочерних цепей (лидирующая) в процессе репликации растёт непрерывно, а другая (отстающая) — в виде фрагментов длиной в несколько сот нуклеотидов (фрагментов Оказаки);
• · полуконсервативность — в результате репликации образуются две двойные дочерние ДНК, каждая из которых сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из половин материнской ДНК.

Условия, необходимые для репликации ДНК:

Рисунок Репликация ДНК (объяснения в тексте).

• 1) Матрица — молекула ДНК (рисунок 26.1, а);
• 2) Расплетающие белки — разрывают водородные связи между комплементарными основаниями двойной спирали ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка (рисунок 26.1, б);
• 3) ДНК-связываюшие белки — присоединяются к разделившимся цепям ДНК и препятствуют их обратному воссоединению;
• 4) Праймаза (РНК-полимераза) — фермент, синтезирующий затравочную РНК.
• 5) Субстраты и источники энергии — дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ). Присоединяются к азотистым основаниям полинуклеотидных цепей при помощи водородных связей по принципу комплементарности;
• 6) ДНК-полимераза — фермент, который формирует из нуклеозидтрифосфатов новые полинуклеотидные цепи за счёт образования 3', 5'-фосфодиэфирных связей. Источником энергии служат макроэргические связи нуклеозидтрифосфатов. На одной ветви репликативной вилки синтезируется непрерывная цепь, на другой — фрагменты Оказаки (рисунок 26.1, в);
• 7) ДНК-лигаза — фермент, соединяющий фрагменты Оказаки в единую цепь (рисунок 26.1, г).

В результате образуются две идентичные молекулы ДНК (рисунок 26.1, д).

Репарация ДНК — процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК. Все репарационные механизмы основаны на том, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена.

Процесс репарации происходит в несколько этапов:

• · выявление нарушения комплементарности цепей ДНК;
• · устранение некомплементарного нуклеотида (или только основания);
• · восстановление целостности цепи по принципу комплементарности.

Очень редко происходят повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК, т. е. нарушения структуры нуклеотидов комплементарной пары. Такие повреждения в половых клетках не репарируются, так как для осуществления сложной репарации с участием гомологичной рекомбинации требуется наличие диплоидного набора хромосом.

Нарушения комплементарности цепей ДНК могут возникать самопроизвольно (спонтанные повреждения) или в результате воздействия физических или химических факторов (индуцируемые повреждения).

К спонтанным повреждениям относятся:

• · ошибки репликации (ДНК-полимераза, а лишена корректирующего механизма и «ошибается» чаще, чем другие полимеразы);
• · депуринизация в результате разрыва гликозидных связей между пуриновыми основаниями и дезоксирибозой;
• · дезаминирование азотистых оснований — превращение цитозина в урацил, аденина в гипоксантин, гуанина в ксантин.

К индуцируемым повреждениям относятся повреждения ДНК в результате воздействия радиации или химических веществ:

• · Образование димеров пиримидиновых оснований (тимина или цитозина);
• · Повреждения оснований ДНК химическими мутагенами (алкилирование, окисление, восстановление или связывание основания с формамидными группировками).

Ферменты, участвующие в процессе репарации:

• · ДНК-гликозилаза;
• · эндонуклеаза;
• · экзонуклеаза;
• · ДНК-полимераза в;
• · ДНК-лигаза;

ДНК-инсертаза.